CN102494077A - 塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统及减振方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统及减振方法。该塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统包括塔机(10)和索塔(20)，塔机(10)和索塔(20)之间通过附着装置(30)连接，附着装置(30)包括变阻尼作动器。根据本发明的塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统，既可以被动地发挥阻尼耗能减振的作用，又可以主动地发挥振动控制的作用，极大地降低塔吊-索塔结构的耦合振动，提高塔吊-索塔结构的稳定性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及工程机械中的建筑起重机械领域，具体而言，涉及一种塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统及减振方法。
背景技术
随着国内基础设施安装工程朝着大型、高效、安全方向发展，桥梁、电厂、风电、化工和高层房屋等领域的建设，对大型塔式起重机的需求呈快速发展趋势。现代桥梁由于大跨度和轻质化的发展要求，在桥梁结构的设计中，索塔段从传统的钢混结构转变为钢制结构，这不仅降低了桥梁的质量同时也引发了施工方法的改进。传统的施工方法是人工进行浇筑，效率低且质量得不到保障；为了提高施工效率和质量，现代桥梁的施工采用大吨位塔吊对桥梁钢索段进行分节吊装。然而在运用大吨位塔吊进行钢索塔吊装中，由于起重吨位重，起升高度高，容易引发塔吊-索塔结构的耦合振动。一方面钢索塔为多节段钢制结构，自身刚度小，稳定性差，极易因外扰产生大摆幅振动；另一方面塔吊和钢索塔通过附着装置相连接，其产生的振动激励同时会引发塔吊的振动。这种“塔吊-索塔的耦合振动”使得大吨位塔吊在对索塔进行分节吊装过程中，稳定性和安全性都得不到保障。
目前国内对于这方面的研究还比较少，对于塔机-索塔的耦合振动问题仍旧处于探索阶段，因此有必要针对塔机-索塔的耦合振动问题建立一套合理有效的减振方案。
发明内容
本发明旨在提供一种塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统及减振方法，既可以被动地发挥阻尼耗能减振的作用，又可以主动地发挥振动控制的作用，极大地降低塔吊-索塔结构的耦合振动，提高塔吊-索塔结构的稳定性和安全性。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统，包括塔机和索塔，塔机和索塔之间通过附着装置连接，附着装置包括变阻尼作动器。
进一步地，附着装置还包括连接在塔机和索塔之间的撑杆，变阻尼作动器串联在撑杆上。
进一步地，附着装置还包括固定套设在塔机外的附着框，撑杆的第一端固定连接在附着框上。
进一步地，附着框可拆卸地设置在塔机上。
进一步地，附着装置还包括固定设置在索塔上的安装座，撑杆的第二端固定连接在安装座上。
进一步地，索塔包括分别设置在塔机两侧的第一部分和第二部分，撑杆有多个，塔机通过多个撑杆分别与第一部分和第二部分连接。
进一步地，附着装置还包括分别设置在塔机和索塔上的加速度传感器、与加速度传感器连接的DSP信号处理器和与DSP信号处理器连接的控制器，控制器连接至变阻尼作动器。
进一步地，变阻尼作动器为磁流变阻尼器，控制器包括与DSP信号处理器连接的主动控制力计算模块和与主动控制力计算模块连接的判定模块，判定模块输出驱动电压至磁流变阻尼器。
进一步地，判定模块与磁流变阻尼器之间还依次串联设置有D/A信号转换器和功率放大器。
根据本发明的另一方面，提供了一种塔式起重机与索塔耦合振动的减振方法，包括：步骤S1，将附着装置固定连接在塔机和索塔之间；步骤S2，根据塔吊-索塔结构的振动作用力调节附着装置上的变阻尼作动器，使变阻尼作动器输出与塔吊-索塔结构的相对速度方向相反的作动力。
进一步地，变阻尼作动器为磁流变阻尼器，步骤S2包括：步骤S21，在索塔和塔机的标准节上设置加速度传感器；步骤S22，将加速度传感器连接至DSP信号处理器，使加速度信号从模拟信号转换为数字信号，将DSP信号处理器连接至控制器，使控制器根据加速度传感器获得的加速度信号计算减弱塔吊-索塔结构的振动作用所需的驱动电压；步骤S23，将控制器获得的驱动电压输送至磁流变阻尼器。
进一步地，步骤S22包括：步骤S221，控制器内的主动控制力计算模块根据振动控制算法计算减弱塔吊-索塔结构的振动作用所需的主动控制力；步骤S222，判定模块根据主动控制力计算模块计算出的主动控制力进行修正，获取减弱塔吊-索塔结构的振动作用所需的修正后的主动控制力；步骤S223，对加速度信号进行积分和滤波处理，获得位移反应和速度反应，根据磁流变阻尼器的逆向动特性获得磁流变阻尼器的驱动电压。
进一步地，步骤S23包括：步骤S231，将控制器获得的驱动电压输送至D/A信号转换器转换为模拟信号；步骤S232，将该模拟信号输送至功率放大器进行增益；步骤S233，将增益后的驱动电压输送至磁流变阻尼器。
应用本发明的技术方案，塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统包括塔机和索塔，塔机和索塔之间通过附着装置连接，附着装置包括变阻尼作动器。通过变阻尼器对塔吊-索塔结构施加减弱塔吊-索塔结构振动的阻尼力，可以被动地发挥阻尼耗能减振的作用，又可以主动地发挥振动控制的作用，相比传统的被动阻尼器，变阻尼器对振动的控制效果更好，且结构简单，运用灵活方便。变阻尼器为磁流变阻尼器，更加便于对变阻尼器的阻尼力进行调节，使磁流变阻尼器的振动控制力始终与臂架的振动方向相反，系统的稳定性和鲁棒性良好。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例的塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统的结构示意图；
图2示出了根据本发明的实施例的塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统的流程示意图；以及
图3示出了根据本发明的实施例的塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统的控制工作原理图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1至图3所示，根据本发明的实施例，塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统包括塔机10、索塔20以及设置在塔机10和索塔20之间的附着装置30。
索塔20包括分别设置在塔机10两侧的第一部分21和第二部分22，塔机10位于第一部分21和第二部分22的连线外侧。第一部分21和第二部分22沿塔机10的中心对称设置。
附着装置30包括撑杆31、附着框32、安装座33、变阻尼作动器、加速度传感器35、控制器36、D/A信号转换器37、功率放大器38和DSP信号处理器39。其中，本实施例中，变阻尼作动器为磁流变阻尼器34。
撑杆31有多根，均匀连接在塔机10和索塔32之间，在每个撑杆31上都串联有磁流变阻尼器34。本实施例中，撑杆31有四根，分别设置在塔机的两侧，每一侧的两根撑杆31分别连接在索塔20的第一部分21和第二部分22上。在四根撑杆31的中间位置均设置有变阻尼作动器，实现对索塔20和塔机10的实时减振。在其它的实施例当中，索塔20可以为整体式结构，塔机10和索塔20之间也可以仅通过一根撑杆31实现连接，在该撑杆31的中间位置设置变阻尼作动器，来实现减振作用。
附着框32固定套设在塔机10外，撑杆31的第一端固定连接在附着框32上。附着框32可以焊接在塔机10上，也可以可拆卸地固定设置在塔机10上。在本实施例中，附着框32可拆卸地设置在塔机10外，包括有四条边框，相邻的两条边框通过角铁和螺栓连接在一起。可拆卸的结构使附着框32的适用更加灵活，而且便于更换，不会对塔机的使用造成影响。
安装座33可拆卸地分别设置在索塔20的第一部分21和第二部分22上，撑杆31的第二端可拆卸地设置在安装座33上。
磁流变阻尼器34可设置在撑杆31的中间位置，将两端的撑杆31连接在一起，也可以设置在撑杆31的一端，直接与附着框32或者安装座33相连。
加速度传感器35有多个，分别设置在撑杆31两端的塔机10和索塔20上，用于测量塔吊-索塔结构的加速度响应，获取加速度信号。
DSP信号处理器39与加速度传感器35相连接，将加速度传感器35传输的加速度信号从模拟信号转换为数字信号。
控制器36连接至DSP信号处理器39，接收DSP信号处理器39处理后的加速度信号，根据加速度信号获取减弱塔吊-索塔结构的振动作用的驱动电压，并输出该驱动电压。
控制器36包括与DSP信号处理器39连接的主动控制力计算模块361和与主动控制力计算模块361连接的判定模块362，主动控制力计算模块361根据控制算法获得减弱塔吊-索塔结构的振动作用的主动控制力Fc，然后判定模块362根据磁流变阻尼器35的最大阻尼值和最小阻尼值对该主动控制力Fc进行修正，获取修正后的主动控制力Fc，然后控制器36根据该修正后的主动控制力Fc和加速度信号通过磁流变阻尼器35的逆向动特性推导出磁流变阻尼器35的驱动电压U。主动控制力算法可以为最优控制算法、神经网络控制算法或模糊控制算法等。
D/A信号转换器37将控制器36输出的驱动电压由数字信号转换为模拟信号，然后输送至功率放大器38进行增益，功率放大器38将增益后的电压信号输送至磁流变阻尼器34，从而控制磁流变阻尼器的阻尼力。磁流变阻尼器34是以阻尼力的形式提供控制力，因此只能提供与塔吊-索塔结构运动相反也即阻止结构运动的控制力，该控制力是与阻尼器的相对速度方向相反的力。因此磁流变阻尼器控制总是无条件稳定的，而且具有很好的鲁棒性。
附着装置30可沿塔机的高度方向设置多个，以保证塔机10和索塔20的连接作用，也能够实现更好的减振作用。
塔式起重机与索塔耦合振动的减振方法如下：
首先将附着装置30的附着框32安装在塔机10上，然后将安装座33安装在索塔20上，将撑杆31和磁流变阻尼器34串联设置，并连接在附着框32和安装座33上。将加速度传感器35分别设置在撑杆31两端的塔机10和索塔20上，将DSP信号处理器39连接在加速度传感器35上，将控制器36连接在DSP信号处理器39上，将D/A信号转换器37连接在控制器36的输出端，将功率放大器38连接至D/A信号转换器37的输出端，将功率放大器38的输出端连接至磁流变阻尼器34。
在索塔20及塔机10的标准节上分别布置加速度传感器35，当组合结构受外部激励作用时，加速度传感器35会自动采集组合结构的加速度反应信号，并将其传输到DSP信号处理器39中。
DSP信号处理器39将采集到的加速度模拟信号转变为数字信号，将其传输至存储PC机和控制PC机内等控制器36内。
在控制器36内，将加速度信号经积分和滤波处理，得到位移反应和速度反应，并根据设定好的振动控制算法计算主动控制力Fc。
判断所求的主动控制力Fc是否在磁流变阻尼器34的阻尼力最大值和最小值之间。如果
控制器将把磁流变阻尼器34的驱动电压相应置于最大或最小，当所需的半主动控制力Fc小于Fmin，则Fc取值为Fmin，当所需的主动控制力Fc大于Fmax，则主动控制力Fc取值Fmax；如果Fc∈[Fmax，Fmin]，通过磁流变阻尼器34的逆向动特性函数关系式即ui＝g(xi，xi，fi)和已知的Fc，x，x(x指索塔20和塔机10的相对位移反应，x指索塔20和塔机10的相对速度反应，位移反应和速度反应均可以通过加速度传感器所获取的加速度反应得出)可推导出磁流变阻尼器34的驱动电压U。
当抵消振动所需的主动控制力Fc不在磁流变阻尼器34的可调阻尼力范围之内时，需要通过磁流变阻尼器34的最大阻尼或最小阻尼对塔式起重机与索塔的耦合振动进行最大程度的削弱，实现最好的减振效果。这种超出磁流变阻尼器34的可调阻尼力范围而选择磁流变阻尼器34的边缘阻尼的控制方法属于被动控制方法，这种控制方法与根据加速度传感器进行阻尼力调整的主动控制方法相结合，形成塔式起重机与索塔耦合振动的半主动控制方法，能够实现对塔式起重机与索塔的耦合振动的最好减振作用，智能化更好，减振效果更加显著，适应性更好。
将计算的驱动电压通过D/A信号转换器37转换为电压信号，通过功率放大器38进行增益，使用增益后的电压信号改变电源电压，从而改变磁流变阻尼器34的半主动控制力，对塔吊-索塔结构施加与振动速度反向的控制力，从而控制结构的振动作用。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
1.减振效果显著，此减震系统能极大的降低塔吊-索塔结构的耦合振动。
2.耗能低，所需要的能源非常小，一般几十瓦就可以提供较高的阻尼力。
3.智能化程度高，编程控制器可编写适合各种工况的智能化控制程序。
4.磁流变阻尼器是以阻尼力的形式提供控制力，因此只能提供与塔吊-索塔结构运动相反也即阻止塔吊-索塔结构振动的控制力，该控制力是与阻尼器的相对速度方向相反的力。因此磁流变阻尼器控制总是无条件稳定的，而且具有很好的鲁棒性。
5.磁流变阻尼器可以根据工况的不同施加不同的电流值充当被动阻尼器对系统加以控制，方便灵活，能适用于各种不同型号的大吨位塔式起重机。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统，包括塔机(10)和索塔(20)，其特征在于，所述塔机(10)和所述索塔(20)之间通过附着装置(30)连接，所述附着装置(30)包括变阻尼作动器。
2.根据权利要求1所述的塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统，其特征在于，所述附着装置(30)还包括连接在所述塔机(10)和所述索塔(20)之间的撑杆(31)，所述变阻尼作动器串联在所述撑杆(31)上。
3.根据权利要求2所述的塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统，其特征在于，所述附着装置(30)还包括固定套设在所述塔机(10)外的附着框(32)，所述撑杆(31)的第一端固定连接在所述附着框(32)上。
4.根据权利要求3所述的塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统，其特征在于，所述附着框(32)可拆卸地设置在所述塔机(10)上。
5.根据权利要求3所述的塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统，其特征在于，所述附着装置(30)还包括固定设置在所述索塔(20)上的安装座(33)，所述撑杆(31)的第二端固定连接在所述安装座(33)上。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统，其特征在于，所述索塔(20)包括分别设置在所述塔机(10)两侧的第一部分(21)和第二部分(22)，所述撑杆(31)有多个，所述塔机(10)通过多个所述撑杆(31)分别与所述第一部分(21)和所述第二部分(22)连接。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统，其特征在于，所述附着装置(30)还包括分别设置在所述塔机(10)和所述索塔(20)上的加速度传感器(35)、与所述加速度传感器(35)连接的DSP信号处理器(39)和与所述DSP信号处理器(39)连接的控制器(36)，所述控制器(36)连接至所述变阻尼作动器。
8.根据权利要求7所述的塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统，其特征在于，所述变阻尼作动器为磁流变阻尼器(34)，所述控制器(36)包括与所述DSP信号处理器(39)连接的主动控制力计算模块(361)和与所述主动控制力计算模块(361)连接的判定模块(362)，所述判定模块(362)输出驱动电压至所述磁流变阻尼器(34)。
9.根据权利要求8所述的塔式起重机与索塔耦合振动的减振系统，其特征在于，所述判定模块(362)与所述磁流变阻尼器(34)之间还依次串联设置有D/A信号转换器(37)和功率放大器(38)。
10.一种塔式起重机与索塔耦合振动的减振方法，其特征在于，包括：
步骤S1，将附着装置(30)固定连接在塔机(10)和索塔(20)之间；
步骤S2，根据塔吊-索塔(20)结构的振动作用力调节附着装置(30)上的变阻尼作动器，使变阻尼作动器输出与塔吊-索塔结构的相对速度方向相反的作动力。
11.根据权利要求10所述的塔式起重机与索塔耦合振动的减振方法，其特征在于，变阻尼作动器为磁流变阻尼器(34)，步骤S2包括：
步骤S21，在索塔(20)和塔机(10)的标准节上设置加速度传感器(35)；
步骤S22，将加速度传感器(35)连接至DSP信号处理器(39)，使加速度信号从模拟信号转换为数字信号，将DSP信号处理器(39)连接至控制器(36)，使控制器(36)根据加速度传感器(35)获得的加速度信号计算减弱塔吊-索塔结构的振动作用所需的驱动电压；
步骤S23，将控制器(36)获得的驱动电压输送至磁流变阻尼器(34)。
12.根据权利要求11所述的塔式起重机与索塔耦合振动的减振方法，其特征在于，步骤S22包括：
步骤S221，控制器(36)内的主动控制力计算模块(361)根据振动控制算法计算减弱塔吊-索塔结构的振动作用所需的主动控制力；
步骤S222，判定模块(362)根据主动控制力计算模块(361)计算出的主动控制力进行修正，获取减弱塔吊-索塔结构的振动作用所需的修正后的主动控制力；
步骤S223，对加速度信号进行积分和滤波处理，获得位移反应和速度反应，根据磁流变阻尼器(34)的逆向动特性获得磁流变阻尼器(34)的驱动电压。
13.根据权利要求11所述的塔式起重机与索塔耦合振动的减振方法，其特征在于，步骤S23包括：
步骤S231，将控制器(36)获得的驱动电压输送至D/A信号转换器(37)转换为模拟信号；
步骤S232，将该模拟信号输送至功率放大器(38)进行增益；
步骤S233，将增益后的驱动电压输送至磁流变阻尼器(34)。
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